CN205097964U - 一种交直电力机车制动能量回馈装置 - Google Patents

Abstract

本实用新型公开了一种交直电力机车制动能量回馈装置，包括升压模块和逆变模块；所述升压模块的输入端与制动能量发生装置的输出端连接，所述升压模块的输出端与逆变模块的输入端连接，升压模块将制动能量发生装置产生的电能升压，保持升压模块的输出电压稳定；所述逆变模块的输出端与列车供电电网连接，将制动能量发生装置产生的电能回馈至列车供电电网，或者逆变模块的输出端与列车辅助供电***连接，将制动能量发生装置产生的电能供列车其它设备使用。本实用新型能够将机车制动能量回馈至电网，实现了制动能量的再利用，具有输出电能稳定，电能质量高，可靠性好等优点。

Description

一种交直电力机车制动能量回馈装置

技术领域

本实用新型涉及一种交直电力机车制动领域，尤其涉及一种交直电力机车制动能量回馈装置。

背景技术

电阻制动是国内交直电力机车普遍使用的一种制动模式，其基本原理是利用牵引电机运行的可逆性，一般可分为常规电阻制动方式和加馈电阻制动方式。在制动时，牵引电动机转变为发电机，即制动能量发生装置，利用列车的惯性由轮对带动电动机转子旋转而发电，从而产生反转力矩以消耗列车的动能，达到制动的目的，电机产生的电流则通过专门设置的制动电阻以热能的形式耗散。虽然电阻制动实现方法简单、作用效果可靠，但其制动能量无法进行回收再利用，且需要强力风冷设备为电阻提供散热，进一步增加能耗。

以SS4B交直电力机车为例。如图1所示，在电力机车需要减速时，将电力机车由牵引工况转换为制动工况，此时牵引电动机转换为发电机并通过轮对将列车的动能转变为电能，再通过制动电阻把电能转换为热能消耗掉。此时晶闸管T5、T6不导通，电机、平波电抗器、二极管D3、D4及制动电阻构成电气回路，通过调节电机串联的励磁绕组电压，维持制动电阻上的电流基本恒定，这时制动能量基本被电阻转化为热能被消耗掉，因此不但不节能，反而还需从牵引电网取能保证散热风扇正常工作。

如图2所示，加馈电阻制动就是为提高机车在低速运行时的轮周制动力，从电网中吸收电能，补足到电机的电枢电流中去，以获得理想的轮周制动力。当机车速度进一步下降时，制动电流可能无法维持在恒定值，这时通过将晶闸管T5、T6触发，施加一个反向电压在制动回路，从而继续维持制动电流不变，制动能量仍转化为热能消耗在制动电阻上。

无论是常规制动还是加馈制动，制动能量都在电阻上消耗，导致能量浪费和热能污染。

实用新型内容

本实用新型要解决的技术问题就在于：针对现有技术存在的技术问题，本实用新型提供一种电能消耗低、回馈电能质量好、***可靠性高的交直电力机车制动能量回馈装置。

为解决上述技术问题，本实用新型提出的技术方案为：一种交直电力机车制动能量回馈装置，包括升压模块和逆变模块；所述升压模块的输入端与制动能量发生装置的输出端连接，所述升压模块的输出端与逆变模块的输入端连接，升压模块将制动能量发生装置产生的电能升压，保持升压模块的输出电压稳定；所述逆变模块的输出端与列车供电电网连接，将制动能量发生装置产生的电能回馈至列车供电电网，或者逆变模块的输出端与列车辅助供电***连接，将制动能量发生装置产生的电能供列车其它设备使用。

作为本实用新型的进一步改进，所述升压模块包括升压控制器K1、升压二极管D和电容C；所述升压控制器K1与电容C并联，所述升压二极管D正向串联在升压控制器K1的正极与电容C的正极之间。

作为本实用新型的进一步改进，所述升压控制器K1包括IGBT晶闸管。

作为本实用新型的进一步改进，所述升压控制器K1为冗余设计，包括由至少两个升压控制器K1并联组成升压控制器组；所述升压二极管D为冗余设计，包括由至少两个升压二极管D并联组成升压二极管组。

作为本实用新型的进一步改进，所述逆变模块为电压型逆变器。

作为本实用新型的进一步改进，所述电压型逆变器为单相全桥结构，包括第一桥臂Q1、第二桥臂Q2、第三桥臂Q3和第四桥臂Q4，所述第一桥臂Q1与第二桥臂Q2串联，所述第三桥臂Q3与第四桥臂串联Q4，所述第一桥臂Q1的上端与第三桥臂Q3的上端并联后与所述升压模块输出端的一极连接，所述第二桥臂Q2的下端与第四桥臂Q4的下端并联后与所述升压模块输出端的另一极连接，所述第一桥臂Q1与第二桥臂Q2的连接点，第三桥臂Q3与第四桥臂Q4的连接点作为逆变器的输出端与电网连接；所述每一桥臂均包括一个桥臂控制器K2，所述桥臂控制器K2包括IGBT晶闸管。

作为本实用新型的进一步改进，所述桥臂控制器K2为冗余设计，包括由至少两个桥臂控制器K2并联组成桥臂控制器组。

作为本实用新型的进一步改进，还包括一个PWM控制器，所述PWM控制器与所述升压模块和逆变模块连接，用于控制升压模块和逆变模块将制动能量发生装置产生的电能升压后回馈至电网。

作为本实用新型的进一步改进，还包括一个过流保护电阻R，所述过流保护电阻R连接于升压模块两个输出端口之间。

作为本实用新型的进一步改进，两个制动能量回馈装置分别与交直电力机车上并联的两个制动能量发生装置的输出端连接，分别将两个制动能量发生装置产生的电能回馈至电网或供列车其它设备使用。

与现有技术相比，本实用新型的优点在于：

1、本实用新型通过制动能量回馈装置将牵引电机在制动状态下产生的电能回馈到电网，或回馈到机车辅助供电***，实现了制动能量的再利用，有利于节能减排。

2、本实用新型通过电压型逆变器实现制动能量的回馈，输出电能稳定，电能质量高。

3、本实用新型采用多重冗余设计，可靠性高，能够保证装置长时间稳定工作。

附图说明

图1为SS4B型电力机车常规制动工况电路原理示意图。

图2为SS4B型电力机车加馈制动工况电路原理示意图。

图3为本实用新型交直电力机车制动能量回馈装置示意图。

图4为本实用新型交直电力机车制动能量回馈装置多重冗余设计示意图。

图5为本实用新型交直电力机车制动能量回馈装置并联状态示意图。

具体实施方式

以下结合说明书附图和具体优选的实施例对本实用新型作进一步描述，但并不因此而限制本实用新型的保护范围。

如图3所示，在本实施例中，一种交直电力机车制动能量回馈装置，包括升压模块和逆变模块；升压模块的输入端与制动能量发生装置的输出端连接，升压模块的输出端与逆变模块的输入端连接，升压模块将制动能量发生装置产生的电能升压，保持升压模块的输出电压稳定；逆变模块的输出端与列车供电电网连接，将制动能量发生装置产生的电能回馈至列车供电电网，或者逆变模块的输出端与列车辅助供电***连接，将制动能量发生装置产生的电能供列车其它设备使用。

在本实施例中，制动能量发生装置即为交直电力机车的牵引电机，交直电力机车制动能量回馈装置通过牵/制转换鼓与牵引电机连接，当牵/制转换鼓处于牵引状态时，牵引电机作为动力装置，断路器KM2连通，通过牵引绕组获取电网的电能，将电能转化为动能来驱动列车；当牵/制转换鼓处于制动状态时，牵引电机转化为发电机，断路器KM2断开，利用列车的惯性带动牵引电机的转子旋转来发电，将动能转化为电能，并通过升压模块将电能进行升压，当电压提升到预定的电压时，通过逆变模块将直流电转换为交流电，回馈到电网，或者提供给列车的辅助供电***，供列车其它用电设备使用。在本实施例中，逆变模块的输出电压经变压器的次边绕组a2-x2，将电能回馈到电网。

在本实施例中，升压模块包括升压控制器K1、升压二极管D和电容C；升压控制器K1与电容C并联，升压二极管D正向串联在升压控制器K1的正极与电容C的正极之间。升压控制器K1包括IGBT晶闸管，当然，也可以是具有相同功能的其它类型的晶闸管。通过给升压控制器K1提供合适的PWM驱动脉冲，将升压模块输入端的电压进行升压，使得电容C两端的电压满足逆变模块将电能回馈至电网所需要的预定电压值。在本实施例中，逆变模块为电压型逆变器。该电压型逆变器为单相全桥结构，包括第一桥臂Q1、第二桥臂Q2、第三桥臂Q3和第四桥臂Q4，第一桥臂Q1与第二桥臂Q2串联，第三桥臂Q3与第四桥臂串联Q4，第一桥臂Q1的上端与第三桥臂Q3的上端并联后与升压模块输出端的一极连接，第二桥臂Q2的下端与第四桥臂Q4的下端并联后与升压模块输出端的另一极连接，第一桥臂Q1与第二桥臂Q2的连接点，第三桥臂Q3与第四桥臂Q4的连接点作为逆变器的输出端与电网连接；每一桥臂均包括一个桥臂控制器K2，桥臂控制器K2包括IGBT晶闸管，当然，也可以是具有相同功能的其它类型的晶闸管。电压型逆变器的输出端与电网之间还串联有一个电感L和一个断路器KM1。

在本实施例中，还包括一个PWM控制器，PWM控制器与升压模块和逆变模块连接，用于控制升压模块和逆变模块将制动能量发生装置产生的电能升压后回馈至电网。还包括一个过流保护电阻R，过流保护电阻R连接于升压模块两个输出端口之间。

在本实施例中，在制动状态时，断路器KM1吸合，断路器KM2断开，按对应速度下的最低制动级位给牵引电机提供励磁电压和电枢电压，对中间电压充电，当制动电流低于50A时启动升压控制器K1，通过调节脉宽占空比，维持50A的充电电流给电容C充电（即中间电压），待中间电压达到900~1000V后，启动四个桥臂的桥臂控制器K2，当中间电压稳定在预定值后，即开始制动回馈，按机车给定的各制动级位的制动电流控制升压电路占空比做恒流控制，保持能量平衡，四个桥臂的桥臂控制器K2保持中间电压和按对应给定制动电流的预期电流回馈能量，需要说明的是，给电容C充电的电流大小及中间电压的大小，可根据实际工作状态进行调整。***工作时，牵引电机作为发电机，电流从牵引电机正端出发，经牵/制转换鼓制动端，之后分为两路，即经K1、再经D4、D3续流，返回到牵引电机负端，此部分为产生牵引电机制动力的制动电流，为恒直流；另一部分经牵/制转换鼓制动端，经升压二极管D，第一桥臂Q1，次边绕组a2-x2，第四桥臂Q4，再经D4、D3续流，返回到牵引电机负端，或者经升压二极管D，第三桥臂Q3，次边绕组x2-a2，第二桥臂Q2，再经D4、D3续流，返回到牵引电机负端，此部分为回馈电流，其电流的大小根据电机实际发电功率而变化。

在本实施例中，对中间电压值、牵引电机的制动电流及逆变电流等参数进行检测，当任一参数超出预设值时，通过封锁牵引电机励磁、升压模块中升压控制器K1的脉冲和逆变模块四个桥臂的桥臂控制器K2的脉冲，通过电阻R进行放电，从而实现对能量回馈装置的保护。同时，在本实施例中，对关键器件均采用冗余设计，如图4所示，升压控制器K1由至少两个升压控制器K1并联组成升压控制器组，升压二极管D由至少两个升压二极管D并联组成升压二极管组；桥臂控制器K2由至少两个桥臂控制器K2并联组成桥臂控制器组。

在本实施例中，如图5所示，以SS4B机车为例，一节机车通常有两个变压器，每个变压器有两个牵引电机，即一节车有4个牵引电机，SS4B机车采用两节车重联，即一列机车有8个牵引电机，每个牵引电机配置一个制动能量回馈装置，可以实现错相控制，以提高回馈电能的质量。单个变压器的制动能量回馈装置采用并联的方式，其拓扑结构为：两个制动能量回馈装置分别与交直电力机车上并联的两个制动能量发生装置的输出端连接，分别将两个制动能量发生装置产生的电能回馈至电网或供列车其它设备使用。

上述只是本实用新型的较佳实施例，并非对本实用新型作任何形式上的限制。虽然本实用新型已以较佳实施例揭露如上，然而并非用以限定本实用新型。因此，凡是未脱离本实用新型技术方案的内容，依据本实用新型技术实质对以上实施例所做的任何简单修改、等同变化及修饰，均应落在本实用新型技术方案保护的范围内。

Claims (10)

1.一种交直电力机车制动能量回馈装置，其特征在于：包括升压模块和逆变模块；所述升压模块的输入端与制动能量发生装置的输出端连接，所述升压模块的输出端与逆变模块的输入端连接，升压模块将制动能量发生装置产生的电能升压，保持升压模块的输出电压稳定；所述逆变模块的输出端与列车供电电网连接，将制动能量发生装置产生的电能回馈至列车供电电网，或者逆变模块的输出端与列车辅助供电***连接，将制动能量发生装置产生的电能供列车其它设备使用。

2.根据权利要求1所述的交直电力机车制动能量回馈装置，其特征在于：所述升压模块包括升压控制器K1、升压二极管D和电容C；所述升压控制器K1与电容C并联，所述升压二极管D正向串联在升压控制器K1的正极与电容C的正极之间。

3.根据权利要求2所述的交直电力机车制动能量回馈装置，其特征在于：所述升压控制器K1包括IGBT晶闸管。

4.根据权利要求3所述的交直电力机车制动能量回馈装置，其特征在于：所述升压控制器K1为冗余设计，包括由至少两个升压控制器K1并联组成升压控制器组；所述升压二极管D为冗余设计，包括由至少两个升压二极管D并联组成升压二极管组。

5.根据权利要求1所述的交直电力机车制动能量回馈装置，其特征在于：所述逆变模块为电压型逆变器。

6.根据权利要求5所述的交直电力机车制动能量回馈装置，其特征在于：所述电压型逆变器为单相全桥结构，包括第一桥臂Q1、第二桥臂Q2、第三桥臂Q3和第四桥臂Q4，所述第一桥臂Q1与第二桥臂Q2串联，所述第三桥臂Q3与第四桥臂串联Q4，所述第一桥臂Q1的上端与第三桥臂Q3的上端并联后与所述升压模块输出端的一极连接，所述第二桥臂Q2的下端与第四桥臂Q4的下端并联后与所述升压模块输出端的另一极连接，所述第一桥臂Q1与第二桥臂Q2的连接点，第三桥臂Q3与第四桥臂Q4的连接点作为逆变器的输出端与电网连接；所述每一桥臂均包括一个桥臂控制器K2，所述桥臂控制器K2包括IGBT晶闸管。

7.根据权利要求6所述的交直电力机车制动能量回馈装置，其特征在于：所述桥臂控制器K2为冗余设计，包括由至少两个桥臂控制器K2并联组成桥臂控制器组。

8.根据权利要求1至7任一项所述的交直电力机车制动能量回馈装置，其特征在于：还包括一个PWM控制器，所述PWM控制器与所述升压模块和逆变模块连接，用于控制升压模块和逆变模块将制动能量发生装置产生的电能升压后回馈至电网。

9.根据权利要求8所述的交直电力机车制动能量回馈装置，其特征在于：还包括一个过流保护电阻R，所述过流保护电阻R连接于升压模块两个输出端口之间。

10.根据权利要求9所述的交直电力机车制动能量回馈装置，其特征在于：两个制动能量回馈装置分别与交直电力机车上并联的两个制动能量发生装置的输出端连接，分别将两个制动能量发生装置产生的电能回馈至电网或供列车其它设备使用。